聯合粉磨系統粉磨介質對耐磨襯板影響及優化

閆玲娣，鄧東亮，陳明凱，王文煜，張玉彥，王利英

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

4河南省機械裝備智能制造重點實驗室 河南鄭州 450002

干法球磨機是粉磨物料的關鍵設備，磨內襯板作為磨機重要部件，不僅可以保護筒體，使其免受粉磨介質與物料的直接沖擊和摩擦[1]，還可以調整粉磨介質的運動狀態，以增強粉磨介質對物料的破碎、粉磨作用，從而達到提高粉磨效率及產量的目的[2]。

現階段越來越多的水泥廠采用輥壓機與磨機組成的聯合粉磨系統，以期達到降低能耗，提高經濟效益的目的。聯合粉磨系統入磨粒度小，存在微裂紋，其物料易磨性發生顯著改變，但其配套的水泥磨仍沿用老工藝下的襯板結構，造成新工藝系統的潛力并沒有被充分挖掘。因此，針對聯合粉磨系統入磨顆粒的特點及運動規律，研發輕量化高效節能型襯板，提高其研磨能力和效率，挖掘磨機的增產潛力，是聯合粉磨系統水泥磨降耗增產的關鍵，是適應市場需求的迫切要求。

本項目針對建材領域聯合粉磨系統的水泥生產線，借助理論計算、顆粒運動模擬分析及試驗分析等多種手段，研究磨機襯板及研磨介質的運行規律，深挖干法磨機的增產降耗潛力，實現襯板做功結構的輕量化設計，對促進我國工業實現綠色、高質量、可持續發展具有極其重要的戰略意義。

1 粉磨介質對磨內襯板影響的理論分析

粉磨介質在磨機筒體內以拋落和瀉落兩種狀態運動。粉磨介質上升和下落的循環運動，會對襯板的微分表面積產生沖擊和摩擦作用。磨機筒體轉動一周與粉磨介質在磨內運動一周所需時間的比值約為1.5。在使用年限內，粉磨介質運動的循環次數約為1.5×107～2.0×107以上，載荷類型屬于多次沖擊。因此，磨機襯板主要受力為粉磨介質與物料的沖擊力、相對襯板的滑動摩擦力及粉磨介質與物料相對襯板的滾動摩擦力。磨機襯板損壞的主要因素是沖擊力，由于沖擊時間不確定，用沖擊動能來表達。當磨機正常運動時，粉磨介質在筒體內的最大降落高度[3]

式中：Di為磨機筒體的有效內徑；α為粉磨介質的脫離角。

粉磨介質著落沖擊襯板時，其合速度

式中：g為重力加速度。

當磨機轉速比為 76% 時，粉磨介質的脫離角為54°40′，沖擊動能

式中：m為粉磨介質的質量。

將式 (2) 代入式 (3) 中，可得

式中：G為粉磨介質的重力。

計算得到磨機襯板所受最大沖擊作用時的沖擊動能，如表1 所列。

表1 粉磨介質最大沖擊動能Tab.1 Maximum impact kinetic energy of grinding medium

由表1 可以看出，在同規格研磨介質的作用下，隨著磨機直徑增加，襯板承受的沖擊動能逐漸增加；同規格磨機，隨著研磨介質球徑增加，其襯板承受的沖擊力逐漸增加。因此，對于一級圈流或開流系統，入磨物料粒度大，粉磨介質級配平均球徑大，襯板結構和成分性能的調整以提高其抗沖擊能力為切入點，如增加襯板厚度、降低襯板中 C 元素含量等；對于聯合粉磨系統或半終粉磨系統，入磨物料粒度小，粉磨介質級配平均球徑小，襯板結構和成分性能的調整以增加其耐磨性，提高襯板使用壽命為切入點，如適當減少襯板厚度、提高襯板中 C 元素或 Cr 元素含量等。

由于襯板承受沖擊次數高達 1.5×107～2.0×107以上，說明襯板所受載荷性質為小能量的多次沖擊。襯板磨損本質上屬于疲勞磨損，多次沖擊的能量較小，作用極短，應力應變速度很快，以沖擊波的形態在襯板內傳播。如果襯板表面質量差，有缺陷，會在較短的時間內出現裂紋源，并迅速擴展造成襯板斷裂破壞。因此，不僅要在結構和材料方面提升襯板抗沖擊能力，還要提高襯板的表面質量，保證其使用壽命。

基于以上理論分析，從襯板材料、結構拓撲等角度，對磨內襯板進行優化改造。根據磨內系統工況，對襯板結構進行拓撲優化，增大易磨損區域的材料硬度與抗沖擊能力，減小非易磨區域的厚度，得到輕量化的襯板，從而降低運轉負荷能耗，降低用戶使用成本，增加有效研磨空間，延長襯板的使用壽命，提高設備的運轉率，減少維修更換次數。

2 不同結構襯板作用下粉磨介質運行規律

某水泥生產線φ3.8 m×13.0 m 磨機基本參數如表2 所列。

表2 磨機基本參數Tab.2 Basic parameters of ball mil

當磨機型號與轉速確定后，襯板截面設計成為整機設計的關鍵。使用 EDEM 對襯板不同截面進行仿真，以獲得最佳襯板截面。截面形狀設計思路為：采用不同提升角度的溝槽階梯襯板，增大其提升效果；采用中波紋襯板，提升角度不斷變化，增大其研磨面積。通過創建不同結構的襯板 EDEM 計算模型，對磨內粉磨介質運動進行離散元分析，確定利于物料研磨的襯板結構。

根據計算內容，選擇的模型為在接觸力計算方面精確度高且高效的赫茲-米德林無滑移模型 [Hertz-Mindlin (No Slip)]，該接觸模型可以被看作是一個“彈簧-阻尼器”的配置，原理圖如圖1 所示。

圖1 赫茲-米德林接觸模型原理Fig.1 Principle of Hertz-Mindlin contact model

建立不同結構類型的襯板模型，如圖2 所示。

圖2 不同結構襯板離散元幾何模型Fig.2 Discrete element geometric models of liners in different structures

通過對不同襯板模型及離散元參數進行分析計算，得到磨機穩定運行狀態下不同襯板模型的磨內鋼球運動軌跡，如圖3 所示。

圖3 不同結構襯板運行過程中鋼球的運動情況Fig.3 Motions of steel balls during operation of liner in different structures

由圖3 可以看出，鋼球運動低速區 (中間黑色區域) 內，鋼球與物料之間相對運動較弱，研磨效果較差；鋼球運動中速區 (灰色區域) 內，鋼球與物料之間的相對運動較強，是物料研磨的主要區域，對磨礦效果起決定作用；鋼球運動高速區 (靠近圓心黑色區域)內，鋼球在磨機內被拋起，對物料主要起破碎作用。

磨機工作過程中，主要依靠鋼球與物料之間的相對運動完成物料的研磨，應盡量減少磨內低速運動的鋼球數量。對比不同襯板結構磨機內低速運動鋼球的數量，結果如表3 所列。

表3 不同結構襯板磨內低速鋼球的數量對比Tab.3 Comparison of numbers of low-speed steel balls in mill with liners in different structures

由表3 可知，采用中波紋襯板結構，磨內低速運動的鋼球數量最少，其研磨效果最好。

對不同襯板作用下磨內鋼球的提升高度進行對比，如圖4 所示。

圖4 不同結構襯板磨內鋼球提升高度對比Fig.4 Comparison of lifting heights of steel balls in mill with liners in different structures

由圖4 可知，采用溝槽階梯襯板，磨內鋼球提升最大高度為 1.091 m；采用帶弧度的溝槽階梯襯板，磨內鋼球提升最大高度為 1.199 m；采用中波紋襯板，磨內鋼球提升最大高度為 1.282 m。因此，中波紋襯板破碎粉磨物料的效果最好。

在實際生產中，筒體襯板采用溝槽階梯襯板或帶弧度的溝槽階梯襯板，單塊質量約為 34～38 kg；采用中波紋襯板，單塊質量約 24.5～26.5 kg。針對這 3種結構襯板進行顆粒流體分析，中波紋襯板的粉磨效果最好，且研磨面積大，質量最輕。采用中波紋襯板結構，不僅有利于提高破碎粉磨效率，還能在一定程度上降低磨機的運轉負荷。

3 聯合粉磨系統下耐磨襯板材料及性能研究

針對聯合粉磨系統，輥壓機嚴格控制了入磨粒度的大小及均勻性，使水泥磨承擔了更少的破碎功能，能更好地提高其研磨效率，減小研磨體對襯板的沖擊強度[4]，因此，其入磨粒度小，研磨介質直徑小 (最大直徑為 40 mm)，同時考慮到材料、鑄造工藝等對襯板疲勞強度、耐磨性的影響，對筒體襯板的化學成分和熱處理工藝進行優化。筒體襯板改造前后的化學成分如表4 所列。

表4 襯板改造前后化學成分Tab.4 Chemical compositions before and after liner transformation %

由表4 可知，改造后，元素 C 和 Cr 的含量明顯增加，有助于襯板耐磨性的提升；導致襯板性能脆硬的元素 Si 含量降低至 0.3%～0.7%，同時有害元素 P和 S 含量減小，可降低脆裂傾向。

按照襯板改造后的化學成分，對襯板進行試制。襯板通過電爐加熱，油池淬火，淬火+回火熱處理。

選取試驗件及原材質襯板試樣 (見圖5) 進行解剖分析及硬度測量，檢測結果如表5 所列。

圖5 試驗件及原材質襯板試樣Fig.5 Liner samples in test and with original materials

表5 硬度及金相組織Tab.5 Hardness and metallographic structure

由表5 可知，改造后，襯板的硬度達到 55～60 HRC，其金相組織主要為馬氏體。

4 實際應用

某水泥生產線配備的聯合粉磨系統：180-160 輥壓機 (裝機功率為 2×1 600 kW)+V 型選粉機+雙分離高效選粉機+φ3.8 m×13.0 m 水泥磨 (裝機功率為2 500 kW)，主要用于生產 PO42.5 水泥。磨機為閉路磨，粉磨介質最大球直徑為 30 mm，襯板一倉采用中波紋襯板，二倉采用超薄小波紋襯板，襯板材質為新型耐磨鑄鋼，硬度達到 55～60 HRC，為防止襯板薄弱點斷裂，設計加強凸臺結構。整體襯板質量較常規襯板減輕約 12% 以上，在一定程度上降低了磨機運轉負荷及單機能耗。襯板平均厚度較常規薄 10% 以上，增加有效研磨容積約為 1.5～2.5 m3，提高了粉磨效率。

目前該生產線上磨機襯板已使用 19 800 h，經現場反饋，一倉、二倉的襯板形狀未發現明顯變化，說明該襯板磨損量很小。因此，較傳統襯板，該襯板的使用壽命可延長 1 倍以上，能夠降低勞動強度與維修成本；較常規磨機，該磨機系統產量達 280 t/h 以上，產量有一定程度的提高。

5 結語

(1) 針對聯合粉磨系統入磨粒度小，粉磨介質平均球徑小，襯板承受沖擊動能低等特點，其襯板在結構和成分性能上的調整主要以增加襯板的耐磨性，提高襯板的使用壽命為切入點。

(2) 與溝槽階梯襯板相比，采用中波紋襯板，磨內粉磨介質提升的最大高度增加，破碎、粉磨物料的效果較好。

(3) 通過增加襯板材質中 C 和 Cr 元素的含量，提高了襯板的耐磨性和硬度，延長了襯板的使用壽命。

筆者介紹的聯合粉磨系統下粉磨介質對耐磨襯板影響及優化方案，不僅可提高粉磨效率，降低磨機運轉負荷及單機能耗，還為干法球磨機襯板設計提供了新的思路，在干法粉磨裝備的設計及應用方面積累了數據和經驗，對后續新型節能粉磨裝備在建材、礦山領域的推廣起到了關鍵示范作用。